山区公路沿河路基设计及其稳定性研究

竺支珍

中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100000

公路项目的建设规模日益扩大，质量控制也更加严格，而路基设计和边坡稳定性是影响公路建设水平最关键的因素。特别是对于沿河路基，由于受到水流长期侵蚀与水位变化的干扰，受力变形机制较复杂，建设难度大，应当重视对沿河路基的设计和安全系数的计算[1]。但是，很多设计人员在开展沿河路基设计时，还是以工程类比法为主，选择的加固方案较保守，故研究山区公路沿河路基设计及其稳定性十分必要。

1 山区公路沿河路基分类

大部分山区沿河路基所处的地质构造比较复杂，长期受到大气降水、堤坝溃水等的冲刷侵蚀。在对沿河路基进行设计和稳定性计算之前，必须明确沿河路基所属的类别，以选择合适的设计理念和安全系数分析理论。目前，常用的山区公路沿河路基分类方法多样，但主要有按路基结构分类和按路基岩土体性质分类两种[2]。

（1）按路基结构分类。①半填半挖沿河路基。山区公路往往地势起伏较大，如果被河流切割，容易出现高陡边坡，此时为了减小边坡地挖方深度或填土高度，不会将路线纵断高程抬升过高，会半填半挖。沿河路基受到河冲刷后，坡脚被掏空，从而产生边坡病害等。②填方型沿河路基。山区公路穿越开阔、地形较平坦路段时，路基形式通常以填方为主，此时路基边坡稳定性受到河水和路基相对位置、水流大小等因素的影响较大。③挖方型沿河路基。沿河挖方路基是沿着坡体展开全断面开挖得到，这种路基由于削坡严重常常会出现塌岸、落石等病害，如图1所示。

图1 挖方型沿河路基断面实例

（2）按路基岩土体性质分类。山区公路路线较长，沿线可能穿过各个类型的岩土区域。根据岩土路基所处位置岩土体性质的不同，可将沿河路基分为岩质、土质、土石混填路基。①岩质路基。山区公路岩质路基相对更多。由于岩体自身具有一定的抗冲刷能力，岩石路基在河流作用下的稳定性要强于土质路基和土石混填路基。但是，如果岩石路基中存在软弱夹层较厚的泥岩等，受到水流冲刷可能逐渐剥落，从而引起路基失稳。②土质路基。土质沿河路基以填方边坡为主，根据填料不同划分成无黏性土（碎石土、砂砾土等）与黏性土，其中无黏性土结构松散，黏聚力低，路基内部渗水容易排出（不易形成孔隙水压力），故无黏性土路基稳定性较好；黏性土路基渗透系数小，在河流水位降低期间边坡内孔隙水压力不易消散，导致边坡下滑力提高和土体抗剪强度指标减小，使路基安全系数减小。③土石混合路基。土石混合路基是由坚硬岩石和砂土碎屑堆积而成，在山区沿河路基建设期间十分常见。这类边坡均匀性较差，受到冲刷后容易沿着软弱土和基岩接触面组成。

2 山区公路沿河路基设计要点

2.1 沿河路基高程确定

沿河路基顶高程=设计洪水位+超高=设计洪水位+壅水高+波浪侵袭高度+安全加高[3]。如果该山区公路具有通行和堤防的双重功能，则还必须符合防洪标准中的规定，此时安全加高在设计时应考虑防洪重现期和堤防级别，如表1所示。

表1 沿河路基安全加高值选择

2.2 沿河路基综合防排水设计

山区公路沿河路基破坏均与河流水位变化和流动直接有关。沿河路基综合防排水的设计应当坚持防渗和排水两大原则[4]。

（1）沿河路基防渗。沿河路基迎水侧防渗应选择渗透系数小的材料，具体要求如下：①土质防渗结构。横断面应选择上小下大梯形断面。②混凝土防渗结构。应当在防渗结构与填料之间设计1或2层过渡层。③土工织物防渗结构。防渗结构表面应加强保护，防止其因机械破坏而失去其防渗性能。

（2）沿河路基排水。山区公路沿河路基排水构造物丰富，在设计具体的排水结构时，要确保其具有良好的透水性，并尽量选择项目所在地的性能好、价格实惠的砂石料、碎石等。

3 山区公路沿河路基失稳破坏及稳定性分析

3.1 沿河路基失稳破坏模式

（1）沿河路基滑移破坏。山区公路沿河路基滑移是较为普遍的破坏模型，如图2所示。沿河路基在水流的长期浸泡下，其填料的抗剪强度参数减小，在动水力作用下可能形成坡面圆、坡脚圆、坡底圆等。在这种类型沿河路基边坡设计期间，必须验算路基边坡安全系数。

图2 沿河路基滑移破坏

（2）沿河路基崩塌破坏。根据发生机理的不同，山区公路沿河路基崩塌破坏可分为三种模式[5]：第一，路基坡脚下方被水流掏空，而在自身重力影响下崩塌；第二，路基外边坡和河岸重合，路基填料中的细小颗粒逐渐被水流冲走，导致路基整体塌陷；第三，河岸长期受到水流的侵蚀软化崩塌后，水库线也会随之后移，直接影响沿河公路施工和通车运营期间的安全性。

3.2 沿河路基稳定性分析方法

山区公路沿河路基稳定性计算理论包括定性、定量分析，前者包括图解法、自然历史分析法、SMR法等，后者包括简化Bishop法等。

（1）定性分析方法。图解法分析路基边坡稳定性是基于赤平投影图、摩擦圆等，并结合相关沿河路基边坡的设计及施工经验，得到边坡主要结构面与次要结构面的形态、倾角等参数，从而推测出边坡滑体大小、可能滑动方位等。自然历史分析方法要求工程人员先对路基边坡所在区域的地质情况进行详细勘探，初步判断可能影响边坡安全性的因素，并对沿河路基边坡的发展趋势展开初步的探讨。SMR法主要用于岩质路基安全系数计算，该方法是基于沿河路基边坡滑体质量参数，而不考虑地应力、坡高等对边坡安全系数的干扰，精确度有待进一步提升。

（2）定量分析方法。简化Bishop法是《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）中所推荐的边坡稳定性分析方法，属于刚体极限平衡法的范畴。简化Bishop法将滑坡体划分成n个宽度相同的垂直条块，计算时以滑动圆弧的圆心为力矩中心点，得到抗滑力矩与下滑力矩的比值，即为边坡安全系数。

3.3 沿河路基稳定性计算

（1）工程实例。以某山区二级公路沿河路基工程为例，采用理正岩土导入CAD模型进行计算。该沿河路基属于挖方路基，边坡最大高度为16m，分两级进行开挖，控制坡高选择8m，并设置不小于2m的平台。计算该沿河路基稳定性时考虑了两种工况。正常工况Ⅰ：边坡处于天然状态；非正常工况Ⅱ：边坡处于连续降雨状态，降雨强度取20mm/h，降雨历时60min。

（2）安全系数计算结果。天然状态下沿河路基安全系数为1.24，处于稳定状态。但是，随着降雨的持续，河流水位不断抬升，边坡内部渗入的雨水量也持续增多，此时路基安全系数迅速从1.24降低至1.03，降低幅度达到16.9%；边坡安全系数小于1.1，路基失稳概率较大。

4 结论

文章详细分析了山区公路沿河路基的类型、设计要点、失稳模式和稳定性分析方法，得出以下结论：首先，在进行沿河路基设计和稳定性计算之前，必须明确沿河路基所属的类别，常用的沿河路基可按路基结构和路基岩土体性质分类；其次，沿河路基边缘顶高程与设计洪水位、壅水高、波浪侵袭高度、安全加高等密切相关，同时防排水的设计应当坚持防渗和排水两大原则；最后，沿河路基失稳破坏模式主要有滑移破坏和崩塌两种，稳定性分析方法主要有定性和定量分析两大类。